JP2008151027A

JP2008151027A - ターボ付エンジンの排気ガス循環装置及び排気ガス循環方法

Info

Publication number: JP2008151027A
Application number: JP2006339746A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Tashiro; 欣久田代
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2006-12-18
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2026-12-18
Also published as: JP4858150B2

Abstract

【課題】排気ガス循環通路内に設けた吸気側から排気側への逆流を防止するためのリード弁を備えたターボ付エンジンの排気ガス循環装置において、加速から減速に入ったときでも、ターボチャージャのサージ音の発生を低減できるターボ付エンジンの排気ガス循環装置を提供する。
【解決手段】エンジンＥの排気通路３、４と吸気通路５、６とを連通する排気ガス循環通路７と、該排気ガス循環通路７に設けた排気ガス循環弁８と、該排気ガス循環通路７に設けた吸気側から排気側への逆流を防止するためのリード弁１０を備えたターボ付エンジンの排気ガス循環装置１において、該リード弁１０の吸気側から排気側にガスを逃がすリリーフ弁２０を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関等の排気ガスの再循環に使用されるターボ付エンジンの排気ガス循環装置及び排気ガス循環方法に関する。

車両に搭載するエンジンなどでは、ＮＯｘ低減のために、排気ガスの一部を吸気側に再循環する排気再循環システム（ＥＧＲシステム）が採用されている。図１０に示すように、このＥＧＲシステム１Ｘでは、エンジンＥの排気系通路３と吸気系通路５とを連結する排気ガス循環通路（ＥＧＲ通路）７が設けられ、このＥＧＲ通路７に、ＥＧＲガス量を調整するための排気ガス循環弁（ＥＧＲ弁）８と、ＥＧＲガスＧｅを冷却するためのＥＧＲクーラ９が設けられている。なお、吸気通路５にはインタクーラ５１が設けられ、さらに、排気通路４にタービンを吸気通路５にコンプレッサーを有するターボチャージャ１１が設けられている。

しかし、ターボチャージャを備えたエンジンの場合には、図１１に示すように、負荷（トルク）が高負荷に移行していくような過給の状態では吸気側の圧力（吸気圧）Ｐinが排気側の圧力（排気圧）Ｐexよりも高くなるので、負荷（トルク）が低い間は、ＥＧＲができるが、高くなるとＥＧＲができなくなる。

しかしながら、図１２に示すように、吸気圧Ｐinが排気圧Ｐexよりも大きくても、即ち、差圧（ΔＰ＝Ｐex−Ｐin）が負（−）であっても、時間的なベースで見ると、脈動する排気圧Ｐexと脈動する吸気圧Ｐinが一時的に逆転して、差圧（ΔＰ＝Ｐex−Ｐin）が正（＋）になり、この圧力の逆転時には、一時的ではあるが、排気側から吸気側に排気ガスを流してＥＧＲを行うことができる。

この現象を利用するために、ＥＧＲ通路に排気側から吸気側への流れのみを許容するリードバルブ（リード弁）を設けて、ＥＧＲ可能なエンジンの運転領域を広げると共に、確実にＥＧＲを実施できるようにしたワンウェイ式リード弁付きＥＧＲシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

このワンウェイ式リード弁付きＥＧＲシステムでは、例えば、図１３に示すような構造のリード弁１０が設けられ、図１４に示すように排気圧Ｐexが吸気圧Ｐinより大きい時はＥＧＲガスＧｅを通過させ、図１５に示すように排気圧Ｐexが吸気圧Ｐinより小さい時はＥＧＲガスＧｅを通過させないようにしている。このリード弁のＥＧＲ通路への配置は、エンジンの高過給、高ＥＧＲ化に対して有効な手段となっている。

しかしながら、このＥＧＲシステムでは、加速時には、コンプレッサーの過給により、吸気側（インレット側）は、空気量と圧力（圧力比）が共に大きい状態であるが、図１６に示すように、加速の高負荷状態のＡ点から減速して低負荷状態のＢ点に移行すると、吸気側の空気量と圧力（圧力比）を下げようとしても、ターボチャージャの慣性によりコンプレッサーは回転を続けるため、圧力（圧力比）は急には下がらない。その結果、空気量が少ないにもかかわらず、圧力（圧力比）は高いままなので、図１７に示すようにＡ点からＢ点に移動し、サージ領域に達し、サージ音が発生するという問題がある。

つまり、エンジンの加速状態から減速状態に移行する際にブースト圧（吸気側の過給圧）が大となって、ターボチャージャ（過給機）のサージ領域に突入すると、ターボチャージャのサージ音が発生する。より詳細には、サージ領域に突入すると、コンプレッサーの羽根から、空気の流れが剥離したり、再付着して正常状態に復帰したりすることを繰り返すため、全体としての空気の流れが、一時的に、上流側のエアクリーナー側へ押し戻されることを繰り返し、サージ現象が発生することになり、吸気圧もエアクリーナーと吸気マニホールドの間で脈動し、この圧力の変動により音が発生する。

このサージ対策として、小型エンジン等のリード弁のないＥＧＲシステムでは、減速時にＥＧＲ弁を開弁して吸気系から排気系へ圧力を逃がしているが、大型エンジンの場合にはＥＧＲ装置は高過給時にもＥＧＲできるように、リード弁付きのＥＧＲシステムが用いられている。このリード弁付きのＥＧＲシステムの場合には、リード弁によりＥＧＲ通路が閉鎖されているため圧力を逃がすことができないという問題がある。

また、このサージ対策として、ガソリンエンジンなどでは、吸気マニホールドにリリーフ弁（ブローオフ弁）を設けて、高くなった圧力を大気中に逃がす方法が提案されている。しかし、この方法では、圧力を逃がすことによりサージ領域から脱することでサージ音の問題を解決できるが、その代りに、高圧の空気を直接大気中に排出するため、この排出音の発生が問題となる。更に、この圧力の逃がし先を過給機入口側や吸気管外にすることも考えられるが、配管などが複雑化するという問題がある。
実開平０６−４０３４３号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、排気ガス循環通路内に設けた吸気側から排気側への逆流を防止するためのリード弁を備えたターボ付エンジンの排気ガス循環装置において、加速から減速に入ったときでも、ターボチャージャのサージ音の発生を低減できるターボ付エンジンの排気ガス循環装置及び排気ガス循環方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するためのターボ付エンジンの排気ガス循環装置は、エンジンの排気通路と吸気通路とを連通する排気ガス循環通路と、該排気ガス循環通路内に設けた排気ガス循環弁と、該排気ガス循環通路内に設けた吸気側から排気側への逆流を防止するためのリード弁を備えたターボ付エンジンの排気ガス循環装置において、該リード弁の吸気側から排気側にガスを逃がすリリーフ弁を設けて構成する。つまり、リリーフ弁（圧力調整弁）を装着し、吸気側から排気側（エキゾースト側）へ圧力（ブースト）を逃がすことでサージ音を低減する。

上記のターボ付エンジンの排気ガス循環装置において、前記リリーフ弁を、前記リード弁（逆止弁）又は前記リード弁を迂回するバイパス通路に設ける。また、前記排気ガス循環弁を、ターボチャージャがサージ領域に入る前に開弁するように制御すると共に、前記リリーフ弁を、前記サージ領域時の吸気圧と排気圧の差圧が前記リリーフ弁の所定の設定圧力以上高くなると開弁するように設定する。この所定の設定圧力は実験等によって予め設定され、エンジンの制御装置などに記憶される。

そして、上記のような目的を達成するためのターボ付エンジンの排気ガス循環方法は、エンジンの排気通路と吸気通路とを連通する排気ガス循環通路と、該排気ガス循環通路内に設けた排気ガス循環弁と、該排気ガス循環通路内に設けた吸気側から排気側への逆流を防止するためのリード弁を備えると共に、該リード弁の吸気側から排気側にガスを逃がすリリーフ弁を設けたターボ付エンジンの排気ガス循環装置において、ターボチャージャがサージ領域に入る前に前記排気ガス循環弁を開弁するように制御して、前記サージ領域時の吸気圧と排気圧の差圧が前記リリーフ弁の所定の設定圧力以上高くなると前記リリーフ弁が開弁して吸気側から排気側にガスを逃がすことを特徴とする。

この設定圧力は、ターボチャージャがサージ領域に入って、吸気圧と排気圧との差圧が所定の設定圧力以上高くなった時にリリーフ弁が開くように、実験結果等のデータを基に設定する。この設定圧力は、エンジンによって異なるので、リリーフ弁の設定圧力を容易に変更できるように、リリーフ弁に調整部（アジャスタ）を設けることが好ましい。

本発明に係るターボ付エンジンの排気ガス循環装置及び排気ガス循環方法によれば、リリーフ弁を設けて、加速から減速に移行した時には、排気ガス循環弁（ＥＧＲ弁）を開くことにより、吸気圧と排気圧との差圧がリリーフ弁の設定圧力以上になると、リリーフ弁が開くので、吸気系から排気系へ圧力を逃がすことができる。そのため、リード弁の特性を活かしながら、ターボチャージャのサージ領域で発生する音を低減できる。また、リリーフ弁をリード弁に設けることで、加速時から減速時に発生するサージ音を防ぐと共に、排気側に圧力を逃がすことで、ブローオフ時の音も低減することができる。

以下、本発明に係る実施の形態のターボ付エンジンの排気ガス循環装置及び排気ガス循環方法について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本発明に係る第１の実施の形態のターボ付エンジンの排気ガス循環装置１は、エンジン本体２の排気マニホールド３から吸気マニホールド６に排気ガスの一部（ＥＧＲガス）Ｇｅを再循環させるための排気ガス循環通路（ＥＧＲ通路）７が、排気マニホールド３（又は排気管４）と吸気管５（又は吸気マニホールド６）とを接続して設けられる。このＥＧＲ通路７には、ＥＧＲガスＧｅの流量を調整する排気ガス循環弁（ＥＧＲ弁）８とＥＧＲガスＧｅを冷却するＥＧＲクーラ９とが設けられ、更に、排気側から吸気側にはガスを通過させるが、吸気側から排気側へはガスを通過させないリード弁（逆止弁）１０が設けられる。

この排気ガス循環弁８は、空気タンク１２と空気管１３、１４とで連結され、この空気管１３、１４に設けられた開閉弁（ソレノイドバルブ）１５、１６の開閉弁操作により、開閉制御される。この開閉弁１５、１６は、回転センサ１７やアクセル開度センサ１８等からの信号を入力するエンジン制御装置（ＥＣＵ）１９により制御される。

また、ターボチャージャ１１のタービン１１ａが排気管４に配置され、排気ガスＧにより駆動される。このタービン１１ａの駆動により、ターボチャジャ１１のコンプレッサー（図示しない）が作動し、新気Ａを圧縮して吸気管５経由で吸気マニホールド６に供給する。

そして、本発明の第１の実施の形態においては、図２に示すように、リード弁１０に、リード弁１０に関して吸気側圧力（吸気圧）Ｐinと排気側圧力（排気圧）Ｐexとの差圧（ΔＰ＝Ｐin−Ｐex）が設定圧力Ｐset 以上に大きくなった時に、吸気側から排気側にガスを逃がすリリーフ弁（ブローオフ弁）２０を設けて構成する。この所定の設定圧力Ｐset は実験等によって予め設定される。

このリリーフ弁２０の詳細な構成の一例を図３に示す。この図３のリリーフ弁の構成では、吸気圧Ｐinと排気圧Ｐexの差圧が所定の設定圧力Ｐset 以上になっていない場合は、受力板２１を付勢するスプリング２２により、受力板２１に連結された弁体２３がリード弁１０の壁面に設けられた弁座２４に密着して、ガスの流れを止めているが、吸気圧Ｐinと排気圧Ｐexの差圧が所定の設定圧力Ｐset 以上になった場合は、スプリング２２の付勢力Ｆｓよりも、弁体２３を弁座２４から引き離す力Ｆｐが大きくなり、受力板２１と弁体２３が排気側に移動して、弁体２３が弁座２４から離間して、ガスの流れを許すようになる。つまり、吸気圧（ブースト圧）を排気側に逃がす。

このスプリング２２の付勢力Ｆｓの大きさにより、リリーフ弁２０の所定の設定圧力Ｐset を調整できる。そのため、受力板２１と弁体２３とを連結している連結棒２５に雄螺子を形成し、ナット２６の締め付け量により受力板２１と弁体２３との距離を変化させて、スプリング２２の付勢力Ｆｓの大きさを調整できるようにする。この連結棒２５、ナット２６が調整部となる。この所定の設定圧力Ｐset は、エンジンによって異なるので、それぞれのエンジンに対して実験的に求める。

図４にリード弁１０とリリーフ弁２０の作動とガス流量との関係を示す。ＥＧＲを行っている間では、図５に示すように、排気ガス循環弁８が開弁しているので、排気圧Ｐexが吸気圧Ｐinよりも大きく、差圧ΔＰ１＝Ｐex−Ｐinが正（＋）の場合には、リード弁１０が開き、排気側から吸気側にＥＧＲガスＧｅが流れる。

差圧ΔＰ１＝Ｐex−Ｐinが小さくなると、リード弁１０は閉じてくるが、差圧がΔＰ１＝Ｐex−Ｐinが負（−）になっても、図１２に示すように、一時的に正（＋）になる部分（斜線部分）があるので、排気ガス循環弁８を開弁してＥＧＲを行うことができる（ＥＧＲ使用範囲）。

更に、差圧ΔＰ１＝Ｐex−Ｐinが小さくなると、一時的に正（＋）になる部分がなくなるので、排気ガス循環弁８を閉弁操作してＥＧＲは行わない。更に、ターボチャージャ１１がサージ領域に入る前に、排気ガス循環弁８を開弁操作する。これにより、差圧ΔＰ１＝Ｐex−Ｐinが、所定の設定圧力（−Ｐset ）より小さくなると、言い換えれば、差圧ΔＰ２＝Ｐin−Ｐexが所定の設定圧力Ｐset より大きくなると、図６に示すように、リリーフ弁２０が開弁するので、吸気側から排気側にガスが流れて、ブースト圧を排気側に逃がすことができる。なお、高過給ＥＧＲの状態でも差圧ΔＰ１＝Ｐex−Ｐinが負（−）となり、差圧ΔＰ２＝Ｐin−Ｐexが正（＋）となるが、その絶対値の大きさは小さい。従って、図４に示すように、リリーフ弁２０を開く所定の設定圧力Ｐset を大きい値に設定することで、ＥＧＲ使用領域ではリリーフ弁２０が開かず、サージ領域のみでリリーフ弁２０が開くようにすることができる。

なお、図７に示すような、従来技術のリード弁１０のみで、リリーフ弁２０を備えていない場合には、図５と同様なことはできるが、図６に示すようなブースト圧の排気側への逃がしはできない。

そして、このターボ付エンジンの排気ガス循環装置１において、ターボチャージャ１１がサージ領域に入る前に排気ガス循環弁８を開弁するように制御する。このサージ領域ににおける制御は、実験結果等のデータを基に、排気ガス循環弁８を開弁するエンジンの回転数や負荷（アクセル開度）を設定することができるので、この部分の制御を、予め設定した、従来のＥＧＲ制御用のマップデータに加えることで容易に実施できるようになる。

次に第２の実施の形態について説明する。図８及び図９に示すように、本発明に係る第２の実施の形態のターボ付エンジンの排気ガス循環装置１Ａでは、リリーフ弁２０を、リード弁１０に設けずに、ＥＧＲ通路７にリード弁１０を迂回するバイパス通路３０に設ける。その他の構成やリリーフ弁２０の作動及びその作用効果は第１の実施の形態と同じである。

従って、本発明のターボ付エンジンの排気ガス循環装置及び排気ガス循環方法によれば、図１６に示すように、加速（Ａ点）から減速（Ｂ点）に移行して、高負荷状態から低負荷状態に移行する際に、図１７に示すようなターボチャージャ１１のサージ領域に入っても、ブースト圧を排気側に逃がすことができるので、リード弁１０の特性を活かして、加速においてはワンウェイ方式で高過給ＥＧＲが可能でありながら、ターボチャージャ１１のサージ領域で発生する音を低減できる。

また、リリーフ弁２０をリード弁１０に設けることで、ガスを排気ガス循環通路７内に逃がすことができるので、排気側に圧力を逃がすことで加速時から減速時に発生するサージ音を防ぐと共に、リリーフ弁２０のブローオフ時の音も低減することができる。また、ブローオフ弁を外付けに設けた場合のブローオフ音の発生を回避できる。

本発明に係る第１の実施の形態のターボ付エンジンの排気ガス循環装置の構成を示す図である。リリーフ弁を備えたリード弁の構成を示す図である。リリーフ弁の構成を示す部分断面図である。リード弁とリリーフ弁の作動領域を示す模式的な図である。ＥＧＲ弁が開弁でリード弁が開弁である時におけるガスの流れを示す模式的な図である。ＥＧＲ弁が開弁でリリーフ弁が開弁である時におけるガスの流れを示す模式的な図である。リリーフ弁無しの場合のＥＧＲ弁が開弁でリード弁が開弁である時におけるガスの流れを示す模式的な図である。本発明に係る第２の実施の形態のターボ付エンジンの排気ガス循環装置の構成を示す図である。図８のリリーフ弁を設けたバイパス通路部分の構成を示す部分拡大図である。従来技術のＥＧＲシステムを模式的に示す図である。従来技術のＥＧＲ可の領域とＥＧＲ不可の領域を模式的に示す図である。リード弁によるＥＧＲ可の部分を模式的に示す図である。リード弁の斜視図である。リード弁の開弁状態を示す模式的な断面図である。リード弁の閉弁状態を示す模式的な断面図である。加速から減速に移行する状態を示す模式的な説明図である。ターボチャージャのサージ領域を示す模式的な図である。

符号の説明

１、１Ａターボ付エンジンの排気ガス循環装置
３排気マニホールド
４排気管
５吸気管
６吸気マニホールド
７排気ガス循環通路（ＥＧＲ通路）
８排気ガス循環弁（ＥＧＲ弁）
９ＥＧＲクーラ
１０リード弁（逆止弁）
１１ターボチャージャ
１９エンジン制御装置（ＥＣＵ）
２０リリーフ弁
３０バイパス通路
Ａ新気
Ｇ排気ガス
Ｇｅ排気ガスの一部（ＥＧＲガス）
Ｐin 吸気側圧力（吸気圧）
Ｐex 排気側圧力（排気圧）
Ｐset 所定の設定圧力

Claims

エンジンの排気通路と吸気通路とを連通する排気ガス循環通路と、該排気ガス循環通路内に設けた排気ガス循環弁と、該排気ガス循環通路内に設けた吸気側から排気側への逆流を防止するためのリード弁を備えたターボ付エンジンの排気ガス循環装置において、該リード弁の吸気側から排気側にガスを逃がすリリーフ弁を設けたことを特徴とするターボ付エンジンの排気ガス循環装置。
前記リリーフ弁を、前記リード弁又は前記リード弁を迂回するバイパス通路に設けたことを特徴とする請求項１記載のターボ付エンジンの排気ガス循環装置。
前記排気ガス循環弁を、ターボチャージャがサージ領域に入る前に開弁するように制御すると共に、前記リリーフ弁を、前記サージ領域時の吸気圧と排気圧の差圧が前記リリーフ弁の所定の設定圧力以上高くなると開弁するように設定することを特徴とする請求項１又は２記載のターボ付エンジンの排気ガス循環装置。
エンジンの排気通路と吸気通路とを連通する排気ガス循環通路と、該排気ガス循環通路内に設けた排気ガス循環弁と、該排気ガス循環通路内に設けた吸気側から排気側への逆流を防止するためのリード弁を備えると共に、該リード弁の吸気側から排気側にガスを逃がすリリーフ弁を設けたターボ付エンジンの排気ガス循環装置において、ターボチャージャがサージ領域に入る前に前記排気ガス循環弁を開弁するように制御して、前記サージ領域時の吸気圧と排気圧の差圧が前記リリーフ弁の所定の設定圧力以上高くなると前記リリーフ弁が開弁して吸気側から排気側にガスを逃がすことを特徴とするターボ付エンジンの排気ガス循環方法。